Нелинейные оптические эффекты в ПДС

Генерация оптических гармоник

Известно, что в атомной системе наведенная электрическим полем поляризация нелинейно зависит от напряженности поля

где -нелинейная восприимчивость второго порядка, отвечает за генерацию второй гармоники, параметрическое усиление, и генерацию,

-нелинейная восприимчивость третьего порядка, отвечает за генерацию третьей гармоники и комбинационное рассеяние.

Резонансное взаимодействие оптических волн в неоднородной среде

Линейный рост интенсивности второй гармоники осуществляется за счет такого выбора размера доменов, чтобы на каждой границе между нми происходил сдвиг обобщенной фазы на угол . Условие квазисинхронизма для второй гармоники принимает вид

где , волновые вектора второй гармоники и основной частоты , -показатели преломления на основной частоте и второй гармонике соответственно.

Для фазового согласования когерентных оптических пучков предлагалась использовать одноразмерную пространственную периодическую модуляцию нелинейной диэлектрической восприимчивости.

Если нелинейная диэлектрическая восприимчивость описывается тензором третьего ранга, то на границах доменов в средах без центра симметрии, такие воспримчивости меняют знак см рис а) Они представляются распределениями вида:

где -волновой вектор,ПДС.

 

 

Рис.а)Нелинейные восприимчивости меняют знак на границах доменов

б)генерация второй гармоники в пучке распространяющемся в одну строну

в) В ПДС генерация второй гармоники в пучке, распространяющемся в обратную сторону

г)В ПДС генерация третьей гармоники за счет трехволнового взаимодействия

Линейный рост интенсивности второй гармоники рис осуществляется таким выбором размера доменов, чтобы на каждой границе между ними происходил сдвиг обобщенной фазы на угол . Условие квазисинхронизма для второй гармоники имеет вид

 

 

Рис.Зависимость интенсивности второй гармоники при распространении в монодоменном образце (внизу), в периодической доменной структуре «голова к хвосту» (верхняя кривая).

Периодические и квазипериодические доменные структуры ПДС и КПДС имеют следующие преимущества перед однородными нелинейными структурами.

1.Повышение коэффициента эффективности нелинейного преобразования и использование наиболее эффективных нелинейных оптических коэффициентов.при использовании доменных структур коэффициент наибольший нелинейный элемент становится пригодным для фазового согласования. Так как , то коэффициент оптического преобразования возрастает в раз. Здесь -нелинейные оптические коэффициенты. Степень эффективности применения ПДС представлена в таблице

В структурах волноводного типа сформированных на поверхности кристаллов и содержащих ПДС с периодом 4-7 мкм, была получена генерация голубого света от перестраиваемых лазерных диодов (770-1040 нм). При мощности лазерных диодов 120-150 мВт, мощность излучения второй гармоники составляла 25-30 мВт.

2.За счет использования различных видов нелинейных взаимодействий, особенно для квазиПДС, оказалось возможным осуществить многоволновое преобразование во вторую гармонику, и получать вторую гармонику в обратном направлении ко входящему пучку. С использованием квазиПДС в танталате лития была получена генерация второй гармоники от перестраиваемого параметрического лазерного генератора в голубом, зеленом, красном и инфракрасном диапазонах с эффективностью преобразования энергии .Расчетный и экспериментальный спектры совпадали. См рис.

 

Рис Спектр второй гармоники преобразованной на квазиПДС в танталате лития:б)экспериментальный спектр.

3. Использование ПДС позволяет повысить быстродействие вследствие сокращения длины взаимодействующих волн. Это позволяет преобразовать во вторую гармонику импульсов в несколько фемтосекунд.().

Параметрическое преобразование

Оптические параметрические генераторы, предложенные в 1962 г. С.А.Ахматовым Р.В.Хохловым применяются в качестве источника когерентного излучения в новых частотных диапазонах. Считая, что все волновые вектора коллинеарны, условие волнового синхронизма для ПДС при параметрическом взаимодействии первого порядка следующее

при

Где -волновой вектор и частота поля накачки, волновые вектора и частоты параметрически генеририруемых колебаний.

Путем изменения периода ПДС можно изменять длины волн параметрически генерируемых колебаний см рис.

 

Рис Соотношение длин волн параметрически генерируемых сигналов и периода ПДС:

е –обыкновенный луч, о-необыкновенный луч.

По вертикали отложен Период ПДС (мкм).

По горизонтали (вверху)-длина волны сигнала (мкм)

По горизонтали (внизу) – длина волны накачки (мкм).

 

Пример. С использованием ПДС с размерами доменов 2-4 мкм создан параметрический генератор с накачкой волной второй гармоники от лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом (